Summary
Bu yöntem sürekli 13 C ve üniforma veya diferansiyel bitki doku etiketleme için 15 N izotop etiketleme odasını kurmak ve işletmek için nasıl açıklar. Metabolik ve Andropogon gerardii yapısal etiketleme Temsilcisi sonuçları tartışılmıştır.
Abstract
Bitki malzemeden ekosistemi ile nadir kararlı izotopları izleme ekosistem süreçleri konusunda en duyarlı bilgi sağlar; CO küçük ölçekli kararlı izotop biyomarkere 2 tozlar ve toprak organik madde oluşumu sondalama. 18 O veya 2 H biyokimyasal dönüşümler sırasında karmaşık sitokiyometrik ilişkileri hakkında daha fazla bilgi ortaya çıkarmak için potansiyele sahip, 15 N ile örneğin 13 C gibi birden fazla kararlı izotopları birleştirilmesi. Izotop etiketli bitki materyali çöp ayrıştırma ve toprak organik madde oluşumu 1-4 çeşitli çalışmalarda kullanılmıştır. Bu ve diğer çalışmalardan, ancak bitki malzemesinin yapı parçaları farklı mikrobiyal kullanımı ve uzun süreli depolama 5-7 karbon açısından metabolik bileşenleri (örneğin,. Sızabilir düşük molekül ağırlıklı bileşikler) 'den davranır belirgin hale gelmiştir. Yapısal ve metabolik bileşenleri çalışma yeteneğiayrı ekosistem biyojeokimyasal çalışmaların ön planda ilerleyen için yeni ve güçlü bir araç sağlar. Burada, 13 ° C ve düzgün bir bitki boyunca işaretlenmiş veya farklı olarak, yapısal ve metabolik tesis bileşenlerinin etiketlenmiş, ya 15 N etiketli bitki maddesinin üretilmesi için bir yöntem açıklanmaktadır.
Burada, biz sürekli 13 C ve çeşitli araştırma ihtiyaçlarını karşılamak için değiştirilebilir 15 N etiketleme odasının yapımını ve işletmesini mevcut. Diferansiyel etiketleme hasattan önce oda hafta büyüyen bitkilerin çıkarılması ile elde edilirken üniform etiketli bitki malzemesi, hasat fide sürekli etiketi ile üretilir. Büyüyen andropogon Temsilcisi sonuçları Kaw hedeflenen seviyelerde verimli etiket bitki materyali için sistemin yeteneğini göstermek gerardii. Bu yöntem sayesinde biz 4.4 Atom% 13 C ve 6.7 atom% 15 <ile bitki materyali üretti/ Sup> N üniforma bitki etiket veya diferansiyel kadar 1.29 atom% 13 C ve 0.56 atom göre% etiketli malzeme, metabolik ve (sırasıyla sıcak su ile çıkarılabilir ve sıcak su kalan bileşenleri) yapısal bileşenler 15 N. Zorluklar bir hava geçirmez 13 başarılı bitki üretimi için C-CO 2 atmosfer uygun sıcaklık, nem, CO 2 konsantrasyonu ve ışık seviyelerini korumaya yalan. Bu bölme açıklaması etkili ekosistem biojeokimyasal bisiklet üzerinde yapılan deneylerde kullanılmak üzere eşit veya farklı olarak çoklu-izotop etiketli bitki materyali üretmek için yararlı bir araştırma aracı temsil eder.
Introduction
Bitki-toprak-atmosfer süreçlerinin dinamiklerini anlamak doğru tahmin için ne denli önemli olduğunu küresel karbon (C) ve azot (N) mevcut ve gelecekteki çevresel koşullar altında döngüleri işlevi. Kararlı izotoplar bitki-toprak-atmosfer C ve N bisiklet kantitatif çalışmalarda güçlü araçlardır. Bitki malzemeden ekosistemi ile nadir kararlı izotopları izleme biyojeokimyasal bisiklet çalışmalarda hassas bilgileri sağlayan, CO 2 tozlar ve örneğin 4,8,9 sondalama küçük ölçekli kararlı izotop biyomarkere toprak organik madde oluşumu. 15 N etiketleme ya da örneğin 2, H ya da bitki dokusunda 18 O gibi diğer stabil izotoplar ile 13 C etiketleme birleştiren bir üst algılama, bitki ve toprak biyokimya akuple çalışmalarda kullanım için izlenebilir, henüz karmaşık alt-tabaka üretmektedir. Eşit veya farklı şekilde yapısal ve metabolik bitki materyali reklam etiket yeteneğiC ve N ekosistemler ile bisiklet ile ilgili karmaşık soruları için ds daha fazla yeteneği. C ve N muhasebe kantitatif çalışmalarda izotop işaretli bitki materyali kullanmanın yararı, ancak, 13 ° C ve iki eşit ya da farklı şekilde etiketlenmiş 15 N etiketli materyal üretmek için bağlıdır.
İzotop etiketleme bitki C ve N asimilasyon 10, 11 ve tahsisi rhizodeposition 12 adresleme çalışmalarında kullanılmıştır. Düzgün 13 C ve 15 N etiketli bitki materyali çöp ayrıştırma 1,4 çalışmaları için karmaşık bir etiketli yüzey sağlar, toprak organik madde oluşumu 2,6, toprak CO 2 toprak besin ağı 13 inceleyen emisyonları 4, ve toprak C çalışmaları kalış süreleri 2,14. Etiketli bitki materyali 13 C etiketli Biochar kullanan çalışmalar da eskiden gözardı hakkında yeni bilgiler açığa başlıyorToprak karakter havuzları 15. 15 N, 2 H, ve 18 O etiketleme su ve gübre tedavi ile elde etmek için nispeten kolay olsa da, meydan 13 C-CO 2 fiksasyonu yoluyla muntazam 13 C etiketli bitki materyali üretiminde bulunmaktadır.
Kapalı bir odasında vadeye kadar fide sürekli izotop etiketleme bitki boyunca üniforma izotop etiketleme üretir. Tekrarlanan darbe etiketleme 16 ve yapraklara uygulama ya da 17,18 emme gibi başka yöntemler de eşit izotop işaretli bitki materyali, ne de C-spesifik bileşiklerin açık diferansiyel etiketlenmesi (örneğin, metabolik genel yapısal) 19 üretmezler. Izotop etiketleme edilmesinde önemli bir husus nedeniyle, etiketlemede kullanılan nadir izotop olarak zenginleştirilmiş bileşikler yüksek maliyetine bağlı olarak, verimlilik etiketleme. Sürekli 13 C etiketleme son 2-4,20 olarak kullanılmış olmasına rağmen, bizim bilgimize göre yokyüksek etiketleme verimliliği ve miktarı ve izotop etiketleme tekdüzelik doğru kontrolü delil ile sürekli bir etiketleme odasının yayınlanan detaylı teknik açıklama.
Çöp ayrışma ve toprak ön üzerinde organik madde oluşumu, araştırma, metabolik bitki malzemesi (örneğin sızabilir, kararsız, düşük molekül ağırlıklı bileşikler) ve yapısal bitki malzemesi (yani. Lignin, selüloz, hemiselüloz) mikrobik açısından farklı işlenir kavramdır verimliliği, toprak organik madde oluşumu ve uzun vadeli toprak C depolama 5-7 kullanın. Diferansiyel yapısal ve metabolik bileşenleri etiketli bitki materyali, bu nedenle, çöp ayrışma ve toprak organik madde oluşumu araştırma ilerleyen bir araçtır. Çift izotoplar ile Diferansiyel etiketleme bir çoklu-havuzu izotop techniqu kullanarak ekosistemi ile ayrı ayrı yapısal ve metabolik bileşenlerinin izleme sağlar21. e.
Sızdırmaz şekilde kapalı bir bölmede 13 ° C ve izotoplar ile sürekli izotop etiketleme bitki verimliliğini ve izotop etiketleme verimliliği maksimize etmek için fizyolojik koşulları bitki dikkat gerektirir. Gündüz sıcaklık yükselmeleri hava geçirmez bir odaya büyüyen zaman bitki zarar görmesini önlemek için kontrol edilmelidir. Nem ve sıcaklık optimal bir dizi açık bitki stoma ve CO 2 alımını 22 korumak için gereklidir. Işık kullanılabilirliğini en aza indirir ve meclisli yapıya zarar verebilir odasının duvarlarının nem nedeni sisleme, Yüksek seviyeleri. Pahalı ağır izotop etiketli bileşikleri ile çalışırken (örneğin, toprak organik madde ile çömlekçilik gelen) odasından doğal zenginliği izotoplar ortadan kaldırılması ve dış havaya maruziyetin önlenmesi ile etiketleme verimliliği izotop dikkatli bir değerlendirme önemlidir.
Burada, bina ve işletme a için bir yöntem mevcutFertilizasyon ve 15 N etiketleme iken muntazam işaretlenmiş veya farklı seviyelerinde yapısal olarak etiketlenmiş ve metabolik bileşeni vardır, ya bitki malzemesinin üretimi için sürekli bir çift 13 ° C ve 15 N izotop etiketleme odası. 13C etiketleme, odacık düzeyde kontrol edilir tek pot düzeyde kontrol edilir. Örnek sonuçlar büyüme mevsimi boyunca sıcaklık, nem, ve CO2 konsantrasyonunu kontrol etmek için bu yöntemin yeteneğini göstermek için gösterilmiştir. Büyüyen Andropogon gerardii sonuçları, Kaw da düzgün ya da farklı olarak etiketlenmiş bitki materyali üretmek için bu yöntemin yeteneğini göstermek. Açıklanan özel odası tasarımı ve işletme düzeni farklı bitki türleri büyümesi, hem de 2 H ya da 18 O etiketleme uyum sağlamak için modifiye edilebilir.
Protocol
1.. Odası İnşaat
- Bitki büyümesi için en doğal ışık potansiyeli sağlamak için bir seraya etiketleme odası oluşturun. Yeterli güç kaynağı tüm kamara bileşenleri güç kullanılabilir olduğundan emin olun.
- 3.175 mm kalınlığında şeffaf akrilik duvarları (polikarbonat de uygun olurdu) ve 6.35 mm güneş yansıtma üst düzeye çıkarmak için bir beyaz boyalı çelik zemin bir alüminyum çerçeve üzerinde kalın şeffaf akrilik tavan montaj tarafından etiketleme odasına Construct. Odanın boyutları bireysel araştırma ihtiyaçlarını karşılamak için uygun olabilir.
- Kül bloklar üzerine (19 mm) kontrplak ¾ odasına monte edin.
- Akrilik cam, alüminyum çerçeve ve çelik zemin ve birlikte tüm bileşenleri bağlamak için kullanım vida delikleri açın.
- Hava geçirmez bir mühür sağlamak için silikon kalafat ile tüm dikişler mühür.
- Remo kullanarak aşağı vidalı olabilir uzun vidalar üzerinde akrilik panelli bir bölümünü, montaj tarafından bir kapı inşaVaBLe kanat fındık.
- Hava sızıntısını önlemek için hava sıyırma ile kapıyı kapayın.
- Tüm sıcaklık, nem, CO 2 kontrolleri ve izleme ekipmanları monte kontrol merkezi olarak odasına doğrudan bitişik bir alan seçin.
- Dikkatle tüm elektrik telleri ve gaz boru için kontrol merkezine bitişik bölme duvarı, küçük delik. Hava sızıntısını önlemek için tüm teller ve boru etrafında delikleri kapatmak için silikon kalafat kullanın.
- CO 2 yüksek düzeyde (örneğin 800 ppm) ile doldurma ve bir gecede oturup sağlayarak hava kaçağı için odasını sınayın. Odası içindeki CO2 konsantrasyonu orjinal seviyede muhafaza ise, o zaman hava geçirmez olduğu. Konsantrasyon gecede düşerse hava geçirmez bir mühür elde edilinceye kadar sonra tüm dikişler incelenmiş ve silikon kalafat ile tekrar kapatılmalıdır.
- Yüksek ışık koşullarına uyarlanmış bazı bitkiler için, c derhal dış bir zamanlayıcı bağlı ışıkları eklemekhamber ışık nüfuz ve bitki verimliliği artırmak için.
2. Sıcaklık ve Nem Kontrolleri
- Odasının içinde bulunan soğutma (evaporatör) bobinler ve ısıyı dağıtmak için sera dışında bulunan kompresör ve kondenser bobinleri ile ticari split tip klima yükleyerek oda sıcaklığını düzenler. Istenilen sıcaklığı korumak için klima ayarlayın.
- Odasının nemi kontrol etmek için küçük bir oda poşetli kullanın.
- Nem bitişik bölmenin zemin üzerinden bir drenaj delik delin.
- Nem gelen kondensat toplayıcı çıkarın ve haznenin zeminindeki drenaj deliğinden nem bir drenaj boru bağlayın.
- Bölmenin altında, doğrudan boşaltmak için nem su ile doldurulmuş bir kavanoz yerleştirin. Bu, hava geçirmez bir mühür oluşturur fakat aynı zamanda basınç dengeleme için izin verir.
- Bir katı hal rölesi ile nem alma sistemine denetleyicisi bağlayın ve yüksek alarm ile nem kontrolörü set ve odasına optimal büyüme koşullarını sağlamak için salıncak. Optimal sıcaklık ve nem koşulları farklı bitki türleri için farklı olacaktır.
3. CO 2 Kontroller
- 13 C-CO 2 zenginleştirme iki saf CO 2 gazı tankları, 10 atom% birini kullanarak elde edilir 13 C-CO 2 ya da daha yüksek ve 1.1 atom% 13 C-CO 2 (doğal bolluk) biri.
- Bir diyafram pompası sürekli bir Kızılötesi Gaz Analiz Cihazı (Irga) aracılığıyla odası hava çekmek ve sonra tekrar odasına hava pompası, böylece kapalı bir sistem (Şekil 1) koruyarak sahip CO 2 konsantrasyonu izleyin.
- Seistenen bir aralık içinde CO 2 konsantrasyonlarını korumak için Irga yazılım ta düşük alarm ve ölü bant. Burada, biz 360-400 ppm arasında CO 2 konsantrasyonlarını korumak için 40 ppm ölü bant ile 360 ppm düşük alarm kullanın.
- Her tank için bir ölçme valfi dikkatlice takın ve hedef 13 C zenginleştirme seviyesini elde etmek için ayarlayın. 20 psi tankı regülatörleri ayarlayın.
- Ve her bir ölçme valfı tankın regülatörü arasında bir solenoid valf ekleyin. Birlikte iki ölçme valf çıkışları ve haznenin merkezine boru bunları tarihi. Tel selenoid valfleri (Şekil 1) kontrol etmek için Irga çıkışına bir solid-state röle.
4. Web tabanlı Uzaktan İzleme Sistemi
- Yerel bir dosyaya bir kez her 30 saniye için oturum açarak Irga yazılım CO 2 konsantrasyonları izleyin.
- Almak için (örneğin Perl veya başka bir programlama dili), özel bir yardımcı program oluşturmakkadar mevcut laptop zaman damgası ile birlikte yerel CO 2 günlük dosyası girişleri, ve bir arka uç web uygulaması yükleyin.
- Sıcaklık ve nem sensörü verilerini sorgulamak için web uygulaması ayarlayın.
- Klima sistemi başarısız olursa bitkilerin yok olacağını potansiyel sıcaklık ani önlemek için odasının her beş dakikada sıcaklık durumunu kontrol etmek için bir izleme sistemi kullanın.
- Herhangi bir beklenmeyen sıcaklık yükselmeleri veya CO 2 damla hemen katıldı böylece herhangi bir standart web tarayıcısı üzerinde CO 2, sıcaklık ve nem verileri izlemek.
5. Sulama Sistemi
- Saksı başına akrilik cam odasının duvarı içinde küçük bir delik delin.
- Saksı başına bir damlama sulama halka oluşturmak ve dış odacık duvarından sulama boru beslemek için sulama boru kullanın.
- Silikon kalafat ile sulama boru çevresinde delik Sealhava sızıntısını önlemek için.
- Haznenin dış üzerinde, bir peristaltik pompa, boru için sulama hortumu bağlayın.
- Sulama arasındaki hava sızıntısını önlemek için bütün sulama boruları kapatmak için küçük bir hortum kelepçe kullanın.
6. Saksı Bitkiler
- Yetiştirilen bitkiler için uygun bir pot boyutu seçin. Burada, 40, 15 L kaplar kullanılır.
- Kum, vermikülit, ve profil gözenekli seramik karıştırarak bir toprak serbest çömlekçilik karışımı oluşturun.
- , Bir dolu pot kuru ağırlığında su ile pot ıslatma ve tamamen boşalmasını sağlayarak, ve pot ıslak tartılarak saksı karışımı su tutma kapasitesini test. Bu aşırı etiketli gübre ve su sulama esnasında tencere sızmaz sağlamak için bu maksimum su tutma kapasitesini kullanın.
- Önce tencere onları dikim için saksı toprakta tohum çimlenir. Bu yalnızca başarı çimlenmiş tohum etiketleme odası içinde başladı sağlar.
- T aşılamak o faydalı mikroplar tanıtmak için taze toprak çamuruyla fidanları.
- Tohumlar çimlenmiş sonra, dikkatlice istenen sayıda saksılara fidan nakli.
- Saksı sonra, bölmenin içine hareket tencere ve tek bir sulama hortumu ile her pot monte edin.
7. Odası Sızdırmazlık
- Birinci bölmeye kapı sızdırmazlık zaman dış hava geniş bir kütle bölmesi alanı doldurur. 13 C-CO 2 tank karışımı kullanılarak 400 ppm'e kadar geri odasını doldurmadan önce en az 200-250 ppm aşağı CO 2 konsantrasyonu fırçalayın hava pompasına bir soda kireç ovucuya bağlayarak bu dış CO 2 fırçalayın.
- Doğal bolluk CO 2 kirlenme en aza indirmek için büyüme mevsiminin süresi boyunca bölmesi kapalı tutmaya çalışın.
- Görsel bitki büyümesini izlemek ve talebe göre gübreleme ve sulama ayarlayın.
- Sulama sistemi yoluyla bitkileri döllemek için, bir tadil edilmiş Hoagland solüsyonu 23 olarak, bir suni gübre solüsyonu kullanın.
- Doğal zenginliği 15 ile 15 N-KNO 3 98 atom% karıştırarak hedef atom% 15 N düzeyinde bir 15 N-KNO 3 subsolution kullanarak 15 N ile gübre etiket N-KNO 3 (0.37 atom% 15 N).
- Saksı karışımı su tutma kapasitesine göre tüm odasının her döllenme olayı üzerine gübre çözeltisi, yeterli kadar karıştırın. Bir cam kavanozda bir pot için gübre uygun miktarda koyun, ve gibi birçok kavanoz kapları vardır hazırlamak.
- Sulama hortumları çözülme ve gübre solüsyonu ile bir kavanoza her biri yerleştirin ve sonra onları peristaltik pompaya bağlayın.
- Tek tek damla irri boyunca peristaltik pompa ile su pompalanarak Su bitkilerigasyon hortumlar düzenli bitkiler bunu ihtiyaç olarak.
- Hoagland solüsyonu ile gübrelenmesi verimliliği maksimize etmek için bitki verimlilik arttıkça artan besin talebi, bitki talebi ya da deneysel tasarımı izlemelidir.
- İlk olarak, tüpler alg ve bakteri büyümesini en aza indirmek için, bir su ile durulama pompası sonra, sulama hortumundan Hoagland solüsyonu pompası.
- Gübreleme ve oda hava kaçağını ortadan kaldırmak için sulama sonra tüm hortumları Reclamp.
9. Düzgün ve Diferansiyel Etiketleme
- Yapısal ve metabolik bileşenleri diferansiyel etiketlenmesi için, 1-3 hafta hasattan önce etiketleme odasından bitkiler kaldırmak. Düzgün etiketli edilecek Bitkiler hasada kadar sürekli kapalı etiketleme odasında kalır ve 15 N-Hoagland solüsyonu ile sulanmaktadır edebilirsiniz.
- Bunlar yeterli ışık almak, böylece bu süre içinde serada kaldırıldı bitkiler tutunve doğal zenginliği 13 C'de CO 2
- Diferansiyel 15 N etiketleme, döller ve her zamanki gibi bitkileri sulamak için devam ediyor, ancak Hoagland gübre çözeltisi içinde doğal zenginliği 15 N-KNO 3 kullanın.
10. Hasat
- Bitkiler senesce başlar ve çömlekçilik orta kurur yüzden hasattan önce bitki 1 hafta sulama durdurun.
- Odasını açın ve yerüstü biyokütle hemen kırpma ve hasat için tencere dışarı taşımak
- Bir kaba ekran üzerinde çömlekçilik karışımı ve kökleri dışarı dökün.
- Çömlekçilik karışımı kökleri ayırmak ve saksı karışımı serbest kökleri sallamak ekranını kullanın.
- 2 mm elek üzerinde kökleri yerleştirin ve herhangi bir geri kalan dolgu materyali çıkarmak için su ile yıkayın. Köklerine sarılmak herhangi vermikulit çıkarmak için cımbız kullanın.
- Gelecek deneyler için hazırlık kurumaya kökleri izin verin.
- Etiketleme odası biyokütle belirlemek için hava-kuru bitki materyali tartılır.
- Kimyasal analiz için altörneğini eziyet.
- Bir 125 ml asit fırında kurutulmuştur (60 ° C) çöp 2.0 g'ı, bir balon içinde yıkanmış ve deiyonize su ile 50 ml ekleyin.
- Önceden ısıtılmış (60 ° C), bir karıştırıcı plaka üzerine örnek koyun ve şişenin içinde bir karıştırma çubuğu yerleştirin. 200 rpm karıştırma için ayarlama ve numune 30 dakika için ısı sağlar.
- 30 dakika sonra, naylon bir vakum süzme sistemi üzerinde ağ gözü, 20 um ile çöp çözelti filtre.
- Bir preweighed asitle yıkanmış tüp özü aktarın ve dondurma.
- 60 ° C'de önceden tartılmış bir alüminyum tava ve kurumaya katı çöp kalıntı Transferi Sıcak su kalıntı kütlesini belirlemek için kurutulduktan sonra tava ve çöp tartılır.
- Sıcak su ekstraktı kuru dondurma ve sıcak su ekstraktı kütlesini belirlemek için tartın.
- Fırında kurutulmuş analiz (60 ° C) çöp, dondurularak kurutulmuş sıcak suözü, ve Elemental Analyzer fırında kurutulmuş sıcak su kalıntısı - İzotop Oranı Kütle Spektrometre (EA-IRMS).
Representative Results
Bizim etiketleme odası büyüklüğü 1,2 mx 2,4 mx 3,6 m ve 40,15 L tencere (Şekil 1) tutar. Bilgisayarlı Irga kontrol sistemi günün fotosentetik aktif döneminde (Şekil 2a) esnasında 360 ve 400 ppm bizim set değerleri arasındaki CO 2 konsantrasyonları yapılmaktadır. Irga üzerinde düşük CO 2 alarm özelliği konsantrasyonu minimum eşik (örneğin 360 ppm) altına düştü 13 C CO 2 odasına doğal zenginliği tankları zenginleştirilmiş ve izin selenoid valfler tetiklenir. Konsantrasyonu üst set noktasını (örneğin 400 ppm) ulaştığında ölü band özelliği akışını durdurdu. ISeries sıcaklık ve büyüme mevsimi boyunca parametreler içinde iklim koşulları düzenlenen klima ve nem alma cihazı bağlı nem izleme sistemi (Şekil 2b). Biz ke bir tonluk (3.5 kW) klima ünitesi kullanıldıodası serin ep.
Uzaktan izleme sistemi giriş verileri standart bir web tarayıcısı ile her zaman görülebilmesini sağladı. CO 2 konsantrasyonları, sıcaklık ve nem değerleri aşağı 24 saat artışlarla, son 24-240 saat üzerinde grafikleri görüntülemek için web uygulaması ile örneklenmiştir. Bu günlük dalgalanmalar beklenen sınırlar içinde olduğunu onaylamak için hızlı bir görsel yarattı. Web arayüzü görüntüleniyor Ayrıca son veri almıyor gibi potansiyel sorunlar geçerli odası durumu, hem de sağlanan uyarıları gösterdi. Herhangi bir zamanda tam kümesi web arayüzünden de indirilebilir olabilir.
Biz fotosentetik aktif radyasyon (PAR) ölçülen derhal ve bir kuantum sensör kullanarak yaz ve gün ortasında ortasında üzerindeki ışıkları olmadan dört noktada iç ve odasının dış. Odasındaki PAR dış göre% 31.5 daha düşük olduğu zaman bölmesi ışıklar wkapalı ere ve ışıklar vardı dış% 22 daha düşük. Bu nedenle, oda ışıkları önemli ölçüde% 9.5 (p <0.05) ile bölmenin içinde PAR nüfuzunu artırmak için yardımcı olur.
Bizim sürekli etiketleme sistemi A. 2759 g üretmek başardı gerardii biyokütle,% 37'si yerüstü biyokütle ve% 63 toprak altında bir biyokütle oldu. Biz (Şekil 1, Tablo 1) göre iki CO 2 tankları üzerinde selenoid valfleri ayarlayarak bizim üniforma bitki materyali 4,4 atom% 13 C bütün bitki etiket elde etti. Bir tadil edilmiş Hoagland solüsyonu 23 KNO 3 subsolution (Tablo 1) 15 N-KNO 3 ,37 atom ile% 15 N-KNO 3 98 atom% karıştırma ile tek bir bitki malzemesi içinde 6.7 atomu,% 15 N tüm tesis etiket elde . Biz A. sulanan büyüyen deniz boyunca 750 ml toplam sıvı (su artı Hoagland çözeltisi) ile gerardii haftalıkoğlum. Biz bitki verimliliği bağlı olarak haftada Hoagland çözüm etiketli 15 N 200-500 ml ile döllenir.
Biz üniforma ve diferansiyel etiketli bitki materyali arasında izotopik farklılıklar olup olmadığını belirlemek için sıcak su ekstraksiyon yöntemi kullanılmıştır. Diferansiyel etiketli bitkiler için, hasattan sonra biz tamamen ölmüş olduğunu ve büyük olasılıkla farklı olarak etiketli değil gibi bunlar ayrı ayrı ele herhangi yaprakları kaldırıldı. 13 C içeriğine bakıldığında, dört kuruluş gün bütün bitki ve sıcak su ekstresi için birbirinden önemli ölçüde farklı, ama sıcak su kalıntı gün için 14 ve 22 (Tablo 1), birbirinden önemli ölçüde farklı değildi. Her gün içinde bitki dokusu kesirleri karşılaştırırken, sıcak su ekstraktı ve kalıntı dört gün boyunca birbirinden önemli ölçüde farklı olduğunu ve günün 22 tarafından dolusu bitki, özü, ve artığı tüm signi edildibirbirinden farklı ficantly (Tablo 1). Bitki bileşenlerine 15 N eklenmesi için, kuruluş ve bitki doku fraksiyonların gün arasında farklılıklar vardı. Sıcak su ekstresinin kuruluş günlerinde dört 15 N için birbirinden önemli ölçüde farklı olduğu ve tüm bitki ve sıcak su için esas kısa gün birleşmesiyle (Tablo 1) günlerden daha anlamlı farklı idi artıklarında. Üniforma bitkilerde bitki doku fraksiyonlar 15 N birbirinden önemli ölçüde farklı değildi, ama sıcak su ekstraktı ve kalıntı diferansiyel etiketli çöp için 15 N birbirinden anlamlı olarak farklı idi.
Tüm izotop değerleri% ağır yüksek seviyelerde kullanmak daha doğru bir gösterim atom yüzde (atom%) gösterimi (Denklem 1) kullanılarak raporlanırizotop zenginleştirme 21. Örneğin:
(1)
Bu çalışma için, SAS sürüm 9.2 kullanılarak istatistiksel analizler koştu. Biz bir çift t-testi kullanılarak odası iç ve dış ışık düzeyleri arasındaki farklılıkları test. Biz 13 C ve PROC ANOVA olarak varyansın tek-yönlü analizi (ANOVA) kullanılarak sıcak su ekstreleri ve sıcak su kalıntısı 15 N etiketi arasındaki farklar test edildi. Biz birden fazla karşılaştırmalar analizi için Duncan çoklu aralık testi kullanıldı. Önemi 0.05 P-düzeyinde kabul edilmiştir. Biz veri analizinin varsayımlarını araya geldi test etmek için bir Wilcoxon rank sum testi kullanıldı.
Şekil 1. Şematik olarakkuşbakışı görünümünden 40 demlik kapasitesi sürekli çok izotop etiketleme odasının ic diyagramı. Katı çizgiler gaz veya su boruları temsil ederken Noktalı çizgiler, elektrik tesisatı temsil eder. resmi büyütmek için buraya tıklayın.
. Şekil 2 A) Ortalama CO 2 konsantrasyonu (ppm) (+ / -. Bütün bir yetiştirme sezonu için yirmi dört saatlik süre boyunca SE) B) Ortalama sıcaklık (º C), açık daireler ve nem (%), daireler kapalı . bütün bir yetiştirme sezonu için yirmi dört saatlik bir süre içinde (+ / - SE) büyük im görmek için buraya tıklayınyaş.
| Üniforma (0) | Diferansiyel (7) | Diferansiyel (14) | Diferansiyel (22) | ||
| Tüm Çöp | 13 C% Atom | 4.46 ± 0.02 Aab | 3.93 ± 0.05 Ba | 3.64 ± 0.03 Ca | 3.35 ± 0.06 Db |
| 15 N Atom% | 6.69 ± 0.07 Aa | 6.72 ± 0.01 Aa | 6.33 ± 0.06 Ba | 6.41 ± 0.07 Ba | |
| 13 C% Atom | 4.59 ± 0.04 Aa | 3.35 ± 0.06 Bb | 2.79 ± 0.06 Cb | 2.37 ± 0.03 Dc | |
| 15 N Atom% | 6.69 ± 0.03 Aa | 6.43 ± 0.01 Bb | 5.89 ± 0.07 Db | 6.16 ± 0.05 Cb | |
| Sıcak Su Kalıntı | 13 C% Atom | 4.37 ± 0.06 Ab | 4.1 ± 0.03 Ba | 3.79 ± 0.10 Ca | 3.66 ± 0.05 Ca |
| 15 N Atom% | 6.57 ± 0.04 Ba | 6.71 ± 0.02 Aa | 6.45 ± 0.02 Ca | 6.44 ± 0.03 Ca |
Tablo 1.
Discussion
Sürekli bir izotop etiketleme bölmesi için bu tasarım muntazam ve diferansiyel olarak 13 ° C üretilmesi için kullanılmış ve 15 N A etiketlenmiştir sonraki arazi ve laboratuar deneyleri için gerardii. Operasyonun üç büyüyen mevsimlerde, odası başarıyla sıcaklık, nem, ve parametreler içinde CO 2 konsantrasyonları (Şekil 2) korumuştur. Sıcaklık kontrol sisteminin güvenilirliği yüksek güneş hava geçirmez odasında aşırı ısınmaya neden olabilir yaz zirve sırasında önemlidir. Büyüyen bitkilerin terlemesi nedeniyle aşırı nemin giderilmesi bu bitki stoma fotosentez alımı 22 ve suyun yoğunlaşma ışık geçişini engelleyen ya da odasının yapısına zarar vermez açık kalmasını sağlar.
Irga yazılım tarafından CO 2 konsantrasyonunun yakın sürekli izleme sürekli muhafazaBitkilerin 13 C etiketi bu odacık içinde büyüyen ise. A. nedeniyle yüksek fotosentez etkinliğe gerardii bu odada yetişen, CO 2 fotosentetik aktivitesi 360 ppm, yaklaşık olarak 15-20 dakika kadar CO2 konsantrasyonları çekti yoğun büyüme mevsiminin gündüz saatlerinde sıklıkla sistem içine enjekte edilmiştir. Ve ölçme zenginleştirilmiş ve düzgün bitki dokusu etiketlemesi için büyüme mevsimi boyunca, kontrollü 4.4 atom% 13 C bir atmosfer için izin verilen doğal bolluk 13 C-CO 2 tank. 13 C-CO2 üretimi de 13 C-sodyum karıştırılması ile elde edilebilir bikarbonat ya da 13 C-sodyum karbonat ve hidroklorik asit, sistem ancak bu tür daha karmaşık ve daha fazla izleme ve bakım gerektirir, bu yüzden biz 13 C-CO 2 gazı kullanmanızı öneririz. CO 2 conce izlenmesi için önemli bir hususturBir Irga kullanarak ntrations 13 C-CO 2 ölçerken infrared analizörü duyarlılık üçte ikisini kaybetmek olduğunu. Bizim 4.4% 13 C-CO 2 karışım için yaklaşık% 2.9 ppm Bu küçümsenmesi bizim için büyük bir endişe değil, ama yüksek 13 C düzeylerinin 27 de etiketleme zaman daha önemli bir sorun haline gelebilir.
A. gerardii yıllık tallgrass graminoid tür kır ılık bir mevsimdir. Bu odasının tasarımı A. için optimize edilmiştir gerardii üretim (Şekil 1). Odasının büyüklüğü ve yüksekliği A en fazla yükseklik verimlilik dikkate alınarak seçildi alanında gerardii, hem de gelecek için deneyler, arzu edilen bitki biyokütle üretimi için. A. gerardii alanında 24,25 sınırlıdır ve hafif olduğu bilinmektedir. Dış düzeyleri 26 ile karşılaştırıldığında bir sera içinde PAR 30-47% oranında azalmış olabilir. Yana Fabrikamızdas, bir sera içinde bir akrilik cam bölmesi içinde büyütüldü, PAR sınırlaması, endişe oldu. Açıldığında, floresan ışıkları bu ışık duyarlı türlerde verimliliği artırmak için yardımcı olabilir ki,% 9,5 oranında odasının içinde PAR arttı. Boyut, aydınlatma, besin talepleri, sıcaklık duyarlılığı ve toprak nemi gibi bitkilerin belirli fizyolojik ihtiyaçlarının diğer türleri büyümek için bu odası tasarımı kullanırken dikkatli bitkiler için en uygun yetiştirme koşullarını korumak için uygun olmalıdır.
Örneğin 10 atom,% 13 C-2, CO ve 98 atom% 15 N-KNO 3, etiketleme verimliliği gibi pahalı izotopik olarak etiketlenmiş bileşikler, çalışırken önemli bir husustur. Bu bölme tasarım odasını sızdırmaz ve hava sızıntısını içine en aza indirmek için tüm çabaları yaparak ve odasının 13 C etiketleme optimize eder. Bu bölme, büyüme mevsimi sırasında açılan hiçbir zaman, daha sonra 13 ° C etiketin hiçbiriodasından ed CO 2 atmosfere dışarı sızdırılmış. CO 2 gece solunum sırasında kurmak büyüyen bitkilerin zarar görünmüyor ve hızlı gündoğumu (Şekil 2) sonra alınır. Diferansiyel etiketleme sırasında, odasının kısaca diferansiyel etiketli tencere kaldırmak için açıldı ama bu sürekli olarak etiketli bitkiler (Tablo 1) hedeflenen 4.4 atom% 13 C etiketleme sulandırmak görünmedi. 13. C etiketleme de dışarı fırçalama ile optimize edildi ilk atmosferik hava sızdırmaz üzerine odacık içinde sıkışıp. Atmosferik CO 2 bir ilk fırçalama yapılmadan bölmenin ilgili ön testler sırasında, bitki üretilen geç yaprak göre üretilen ilk yaprak seyreltilmiş bir 13 ° C düzeyine sahip ölçüldü. Odasına kapanması üzerine atmosferik CO 2 ilk bodur sürekli 13 C etiketleme için izin vererek bu sorunu ortadan kaldırmak için görünürVadeye kadar fide. Kum, vermikülit, ve kil bir toprak içermeyen dolgu karışımı bakımı da doğal zenginliği toprak solunumu ile CO 2 kirlenme ortadan kaldırır. Sistemden toprağın ortadan kaldırılması, farklı bitki türleri özgü olabilir ki, dikkatli bir döllenme ve aşılama konuları gerektirir. 6.7 atomu,% 15 N (Tablo de oldukça etiketli bitki materyali üretilen hedef 7 atom% 15 N Hoegland çözeltisi ile 15 N markalama 1). Hedeflenen 15 N etiketten hafif bir seyreltme dolgu karışımı ya da doğal toprak aşılamadan bir miktar doğal zenginliği N neden olabilir.
Bileşiklerin biyosentezi esnasında 13 ° C (ya da 15 N) doğal ayrımcılık kinetik parçalama ve sentezlenmiş bileşikleri istatistiksel olmayan izotop dağılımının bir sonucu olarak ortaya çıkar. Bu nedenle, C durumunda, ikincil ürünler (örneğin, lipidlerBirinci ürün (karbonhidratlar) ile karşılaştırıldığında, fenol bileşikleri) genel olarak 13 ° C içinde tüketilmiştir. Sıcak su ekstreleri ile eşit etiketli bitkileri (Tablo 1, sıcak su artıklarının atomu,% 13 C hafif bir fark görülebileceği gibi bitkiler, zenginleştirilmiş bir atmosfer içinde 13 ° C yetiştirildiği, bu doğal 13 ° C de devam ayrım görünmektedir .) Bu doğal kinetik fraksiyonasyon zenginleşmesine karşılaştırıldığında çok küçük ve etiketleme tekdüzelik ödün vermez.
Yapısal ve metabolik bitki dokularının Diferansiyel etiketleme çöp ayrıştırma, mikrobiyal ekoloji ve toprak organik madde oluşumu ileri çalışmalar için potansiyeli olan yeni bir tekniktir. 13 ° C ve sıcak su ekstreleri ve sıcak su kalıntıları 15 N, en az bir fark, önemli bir 13 ° C arasında bir seyreltme ve sızabilir 15 N göstermektediryapısal bitki malzemesinin (sıcak su artıkları) moleküler ağırlıklı bileşikler (sıcak su ekstreleri) diferansiyel etiketleme (P <0.005), 7, 14, ve 22 gün sonra. Bitki dokularının bu ayırıcı etiketleme bir ekosistem yoluyla ayrı ayrı yapısal ve metabolik bileşenlerin kaderini izlemek için kullanılabilir. 13 C diferansiyel etiketleme 15 N diferansiyel etiketleme daha aşırı idi. 13 C-CO 2 etiketli atmosferden bitkiler çıkarırken 15 N etiket yine de uzun bir süre için saksı karışımı kalır ve 15 N seyreltme daha yavaş oluşur, ancak bu, 13 C seyreltme doğrudan doğruya bağlı olabilir. 15 N daha köklü diferansiyel etiketleme, bir odasının dışında büyüme son haftalarda önce doğal zenginliği gübreleme su ile tencere yıkama düşünebilirsiniz.
Bu sürekli 13 tasarımı ve işletilmesi <Tekdüze veya diferansiyel, metabolik ve yapısal, bitki dokusu etiketlenmesi için / sup> C ve 15 N etiketleme sistemi ileri araştırmalar için izotopik olarak etiketlenmiş bir bitki malzemesinin üretilmesi için yeni bir yöntem sağlamaktadır. Bu odasının tasarımı ve işletme bilgilerini 4.4 atom% 13 C,% 7 atom A'nın 15 N etiketlenmesi için seçilmiştir gerardii, ancak diğer bitki türleri ve izotop etiketleme seviyelerine uygun olabilir. Burada açıklanan büyüme koşulları, ilgi konusu özel bitki türlerinin büyüklüğü, sıcaklık, nem, ışık, su ve besin taleplerine göre uyarlanmış olmalıdır. 18 O ya da 2 H Etiket aynı zamanda, sulama sisteminde kullanılan su etiketlenmesi ile elde edilebilir. Burada anlatılan sistemi üniforma zorlukları birçok adresleri ve bitki materyali 13 C etiketleme diferansiyel. Bu temel odası tasarımı zarf için son derece etiketli bitki materyali üretmek için diğer araştırma grupları tarafından kullanılabilirekosistem Biyojeokimya çalışmaları dengelenmelidir.
Disclosures
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Colorado State Üniversitesi Bitki Büyüme Kolaylığı ve EcoCore analitik tesisine ve bu projede yardımcı birçok öğrenci ve öğretmenlere özel teşekkürler. Bu çalışma, USDA Ulusal Bursu İhtiyaçları NSF DEB hibe # 0918482, ve toprak ekoloji araştırma için Cotrufo-Hoppess fonu tarafından finanse edilmektedir.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 40 in Remote Tower Fan | Living Accents | FS10-S3R-A | |
| 42 in Electric Tower Fan with remote control | LASKO | 2559 | |
| Mr. Slim Split-type air conditioner | Mitsubishi Electric | R410A | |
| Electronic 24 hr time switches | Intermatic | ET100C | Operates Fluorescent Light System |
| iSeries Humidity and Temp Controller | Omega | CHiTH-i8DV33-5-El | |
| Solid State Relay | Omega | SSRL240 | |
| CKR Series Solid State Relay | Crydon | ||
| Solenoid Coils | Dayton | 6X543 | |
| GasHound CO2 Analyzer | LI-COR | LI-800 | |
| Dehumidifier | Dayton | 1DGX4 | |
| Specialty gas regulator | Airgas | CGA 580 | |
| T5 Hight Output Commercial Fluorescent Light System | Hydro Farm | FLT48 | |
| Air pump | Thermo Scientific | 420-1901 | |
| Masterflex Cartridge Pump HeadSystem | Cole Parmer | 7553-70 | |
| 1900 Series Network Switch | Catalyst | ||
| Profile Porus Ceramic Top Dressing | Greens Grade | ||
| Industrial Quartz 40 mesh | Unimin | 4095 | |
| Mycorrhizae Professional Growing Medium | ProMix | ||
| Vermiculite and Perlite | Thermo-Ran | C633 | |
| Potassium Nitrate- 15N 98 atom % | Sigma-Aldrich | 335134 | |
| Carbon-13C Dioxide 10 atom % | Sigma-Aldrich | 600180 | |
| Medical grade CO2 | Airgas | ||
| Regulator | Airgas | CGA 350 | |
| 4 in box fans | Grainger | ||
| Masterflex PharMed BPT Tubing | Cole Parmer | HV-06508-24 |
References
- Bird, J. A., Torn, M. S. Fine roots vs. Needles: A comparison of (13)C and (15)N dynamics in a ponderosa pine forest soil. Biogeochemistry. 79, 361-382 (2006).
- Bird, J. A., van Kessel, C., Horwath, W. R. Stabilization of C-13-carbon and immobilization of N-15-nitrogen from rice straw in humic fractions. Soil Sci. Soc. Am. J. 67, 806-816 (2003).
- Denef, K., Six, J. Contributions of incorporated residue and living roots to aggregate-associated and microbial carbon in two soils with different clay mineralogy. Eur. J. Soil Sci. 57, 774-786 (2006).
- Rubino, M. Carbon input belowground is the major C flux contributing to leaf litter mass loss: Evidences from a C-13 labelled-leaf litter experiment. Soil Biol. Biochem. 42, 1009-1016 (2010).
- Cotrufo, M. F., Wallenstein, M. D., Boot, C. M., Denef, K., Paul, E. The Microbial Efficiency-Matrix Stabilization (MEMS) framework integrates plant litter decomposition with soil organic matter stabilization: do labile plant inputs form stable soil organic matter. Glob. Change Biol. 19, 988-995 (2013).
- Mambelli, S., Bird, J. A., Gleixner, G., Dawson, T. E., Torn, M. S. Relative contribution of foliar and fine root pine litter to the molecular composition of soil organic matter after in situ degradation. Org. Geochem. 42, 1099-1108 (2011).
- Prescott, C. E. Litter decomposition: what controls it and how can we alter it to sequester more carbon in forest soils. Biogeochemistry. 101, 133-149 (2010).
- Denef, K., Roobroeck, D., Wadu, M., Lootens, P., Boeckx, P. Microbial community composition and rhizodeposit-carbon assimilation in differently managed temperate grassland soils. Soil Biol. Biochem. 41, 144-153 (2009).
- Bird, J. A., Kleber, M., Torn, M. S. C-13 and N-15 stabilization dynamics in soil organic matter fractions during needle and fine root decomposition. Org. Geochem. 39, 465-477 (2008).
- Andresen, L. C., Jonasson, S., Strom, L., Michelsen, A. Uptake of pulse injected nitrogen by soil microbes and mycorrhizal and non-mycorrhizal plants in a species-diverse subarctic heath ecosystem. Plant Soil. 313, 283-295 (2008).
- Horwath, W. R., Pregitzer, K. S., Paul, E. A. C-14 Allocation in tree soil systems. Tree Physiol. 14, 1163-1176 (1994).
- Denef, K. Community shifts and carbon translocation within metabolically-active rhizosphere microorganisms in grasslands under elevated CO2. Biogeosciences. 4, 769-779 (2007).
- Pollierer, M. M., Langel, R., Korner, C., Maraun, M., Scheu, S. The underestimated importance of belowground carbon input for forest soil animal food webs. Ecol. Lett. 10, 729-736 (2007).
- Stewart, D. P. C., Metherell, A. K. Carbon (C-13) uptake and allocation in pasture plants following field pulse-labelling. Plant Soil. 210, 61-73 (1999).
- Santos, F., Torn, M. S., Bird, J. A. Biological degradation of pyrogenic organic matter in temperate forest soils. Soil Biol. Biochem. 51, 115-124 (2012).
- Bromand, S., Whalen, J. K., Janzen, H. H., Schjoerring, J. K., Ellert, B. H. A pulse-labelling method to generate 13C- enriched plant materials. Plant Soil. 235, 253-257 (2001).
- Putz, B. A simple method for in situ-labelling with 15N and 13C of grassland plant species by foliar brushing. Methods Ecol. Evol. 2, 326-332 (2011).
- Wichern, F., Mayer, J., Joergensen, R., Müller, T. Evaluation of the wick method for in situ <sup>13</sup>C and <sup>15</sup>N labelling of annual plants using sugar-urea mixtures. Plant Soil. 329, 105-115 (2010).
- Fahey, T. J. Transport of Carbon and Nitrogen Between Litter and Soil Organic Matter in a Northern Hardwood Forest. Ecosystems. 14, 326-340 (2011).
- Stewart, C. E., Paustian, K., Conant, R. T., Plante, A. F., Six, J. Soil carbon saturation: Evaluation and corroboration by long-term incubations. Soil Biol. Biochem. 40, 1741-1750 (2008).
- Fry, B. Stable Isotope Ecology. , Springer. (2006).
- Nippert, J. B., Fay, P. A., Carlisle, J. D., Knapp, A. K., Smith, M. D. Ecophysiological responses of two dominant grasses to altered temperature and precipitation regimes. Acta Oecol. Int. J. Ecol. 35, 400-408 (2009).
- Hoagland, D. R. aA., I, D. The Water-Culture Method for Growing Plants without Soil. , The College of Agriculture, University of California, Berkeley. Berkeley, CA. (1950).
- Lett, M. S., Knapp, A. K. Consequences of shrub expansion in mesic grassland: Resource alterations and graminoid responses. J. Veg. Sci. 14, 487-496 (2003).
- Knapp, A. K., Seastedt, T. R. Detritus Aaccumulation limits productivity of tallgrass prairie. Bioscience. 36, 662-668 (1986).
- Ting, K. C., Giacomelli, G. A. Solar photosynthetically active radiation transmission through greenhouse glazings. Energy Agric. 6, 121-132 (1987).
- McDermitt, D. K., Welles, J. M., Eckles, R. D. Effects of Temperature, Pressure and Water Vapor on Gas Phase Infrared Absorption by CO2. , Li-Cor, Inc.. Lincoln, NE. Forthcoming.
